Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GaInAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb) в зависимости от состава й Т.И. Воронина, Б.Е. Джуртанов, Т.С. Лагунова, М.А. Сиповская, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 6 августа 1997 г. Принята к печати 15 сентября 1997 г.) Исследованы электрофизические свойства GaSb и твердых растворов на его основе GaInAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb. Показано, что концентрация носителей тока и подвижность во всех этих материалах в основном определяется структурными дефектами VGaGaSb, концентрация которых практически линейно уменьшается с уменьшением содержания GaSb в твердых растворах. Выявлена зависимость параметров твердых растворов от концентрации этих структурных дефектов. Показана возможность уменьшения их концентрации путем использования нейтрального растворителя Pb и редкоземельных элементов.

Интерес к исследованию GaSb и изопериодных твер- индия на поверхности эпитаксиальной пленки в интердых растворов на его основе обусловлен тем, что эти вале температур T = 77 300 K и в магнитных полях материалы широко используются для создания опто- до 10 кЭ.

электронных приборов в инфракрасной области спектра (1.3 2.5мкм), в том числе лазеров, светодиоАнтимонид галлия дов, быстродействующих фотодиодов, лавинных фотодиодов и т. д. Проведенное нами ранее всестороннее изуОстановимся вначале на электрофизических свойствах чение гальваномагнитных и фотоэлектрических свойств GaSb, которые, как оказалось, определяют во многом GaSb и твердых растворов, близких по составу к GaSb параметры твердых растворов, полученных на основе (GaInxAsSb (x = 0.1 0.2), GaAlxSb (x = 0.1), этого бинарного материала.

GaAlxAsSb (x = 0.34) [1Ц6]), позволили в каждом В результате проведенных исследований эпитаксиальматериале выявить основные факторы, определяющие ных слоев антимонида галлия, выращенных на подложкачество и степень совершенства кристаллов, природу ках p-GaSb, толщиной 80 200 мкм (подложка удаляносителей заряда в них, их концентрацию, подвижность, энергию активации. Настоящая работа посвящена вы- лась), было установлено, что специально не легированявлению общих закономерностей для всех исследован- ный эпитаксиальный GaSb, выращенный жидкостной эпиных соединений, касающихся электрических и фотоэлек- таксией, так же как и объемный, выращенный методами Чохральского или Бриджмена, всегда имеет p-тип протрических свойств этих материалов, а также их динамики водимости с концентрацией дырок p =(12)1017 см-3, в зависимости от состава твердого раствора и некоторых подвижностью = 600 700 см2/В с при T =300 K и технологических особенностей его получения. В статью p =(2 3) 1016 см-3, = 2000 3000 см2/В с при включены и совершенно новые данные по исследованию T =77 K (см. табл. 1 и 2). Ширина запрещенной зоны в этих твердых растворов в более широком диапазоне GaSb при T = 77 K составляет Eg = 0.78 эВ.

изменения состава: исследован GaAlxSb при x = 0.и GaAlxAsSb при x = 0.5. Результаты этой работы, Из температурных зависимостей коэффициента Холла мы надеемся, дадут возможность правильно подходить R, проводимости и концентрации дырок p, опредек решению технологических задач для получения более ленной с помощью циклотронного резонанса, а также совершенного материала с нужной шириной запрещен- из фотоэлектрических измерений, в антимониде галной зоны, с определенной концентрацией носителей тока лия было установлено существование 3-х акцептори их подвижностью. ных уровней: мелкого уровня с энергией активации Все исследованные нами материалы, как бинарный EA1 = 0.011 0.017 эВ, обусловленного неконтроGaSb, так и тройные и четверные твердые растворы, лируемыми примесями, входящими в исходные компобыли получены методом жидкофазной эпитаксии при ненты, и двух глубоких с EA2 = 0.03 0.035 эВ и температурах 550 650C на подложках GaSb. В эпи- EA3 = 0.07 0.09 эВ, которые приписываются двухтаксиальных слоях GaSb и твердых растворах компен- зарядному структурному дефекту. Эти результаты сосационным методом измерялись проводимость, эффект гласуются с более ранними данными, полученными в Холла, подвижность, магнитосопротивление, определя- работах [7Ц8], где показано, что в кристаллах GaSb лись концентрация акцепторов и доноров, энергия акти- определяющим рассеивающим центром является природвации примесей, а также по данным фотопроводимости ный структурный дефект кристаллической решетки Ч и электролюминесценции Ч ширина запрещенной зоны. вакансия галлия и галлий на месте сурьмы (VGaGaSb).

Исследования гальваномагнитных эффектов производи- Концентрация этих структурных дефектов определяет в лись на образцах прямоугольной формы с контактами из GaSb концентрацию дырок и их подвижность.

Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GaInAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb)... Перед нами стояла задача Ч найти эффективные турные зависимости концентрации и подвижности носпособы уменьшения концентрации этих структурных сителей тока. В предположении, что подвижность опредефектов, что привело бы к повышению качества кри- деляется рассеянием на ионах примеси и колебаниях сталлов. решетки, с использованием формулы БруксаЦХерринга Можно было предположить, что концентрация при- для зависимости подвижности от концентрации ионов родных структурных дефектов, связанных со стехиоме- примеси вычислялись концентрации глубоких и мелких трией, зависит от соотношения атомов сурьмы и гал- акцепторов, а также доноров. Было установлено, что лия в раствореЦрасплаве, из которого растет эпитакси- концентрация структурных дефектов с EA2 = 0.033 эВ непрерывно падает от 2.7 1017 см-3 в исходном образце альная пленка. Нами был предложен метод изменения с XSb = 0.125 до 2 1015 см-3 при XSb = 0.8 (см. рис. 1).

этого соотношения путем введения в растворЦрасплав свинца в качестве нейтрального растворителя. В ре- При дальнейшем увеличении концентрации сурьмы в раствореЦрасплаве концентрация дырок снова резко воззультате приведенная концентрация сурьмы в расплаве растает, но за счет мелких примесей (EA1 0.017 эВ), XSb =[Sb]/[Sb + Ga] могла изменяться от XSb = 0. а концентрация глубоких структурных дефектов остает(без свинца) до XSb = 0.875. Это привело к поразителься по-прежнему достаточно низкой 2 1016 см-3. В ным результатам. На рис. 1 представлена зависимость работе [1] удалось получить образцы GaSb, выращенконцентрации дырок при T = 300 K и подвижности при ные из сильно обогащенного сурьмой раствораЦрасплава T = 77 K от приведенной концентрации сурьмы. Видно, (XSb = 0.875) в условиях, исключающих попадание что концентрация дырок резко падает при росте XSb, в кристалл в процессе эпитаксиального роста мелких достигая минимума при XSb = 0.8 (в ряде случаев в этой примесей (использовалась лейкосапфировая кассета и области были даже получены образцы n-типа проводисурьма чистотой 99.9999%). В результате был получен мости), а затем снова растет. Подвижность максимальна GaSb с p = 6.8 1015 см-3 и = 6770 см2/В с при 77 K, при XSb 0.6, резко падает вблизи XSb = 0.8, а затем концентрация глубоких акцепторов упала до 51015 см-3, снова возрастает.

а мелких составляла 31016 см-3. Таким образом, изменеДля определения концентрации доноров и акцептоние соотношения галлия и сурьмы в раствореЦрасплаве ров в кристаллах GaSb, выращенных из растворов - позволяет получать чистые кристаллы GaSb, а также расплавов с различным XSb, использовались темпера изолирующий антимонид галлия (в области XSb = 0.8) с очень низкой концентрацией носителей тока вплоть до p = 1013 см-3 при 77 K, который находит применение в качестве буферного слоя в технологической практике.

Эффект уменьшения числа структурных дефектов в GaSb достигался нами также при легировании раствора - расплава редкими землями (Gd, Yb) [1]. Концентрация глубоких акцепторов понижалась от 1 1017 до 4 1016 см-3, при этом, правда, возрастала концентрация мелких примесей. Можно предположить, что происходила диффузия вакансий галлия к редкоземельному атому и образование мелкого вакансионного кластера вокруг него, что препятствовало образованию структурных дефектов VGaGaSb и уменьшало их концентрацию.

Твердые растворы на основе GaSb Чтобы расширить оптический диапазон работы приборов в инфракрасной области, широко используются тройные и четверные твердые растворы на основе GaSb:

GaInAsSb, GaAlAsSb, GaAlSb и другие.

Расчетная ширина запрещенной зоны Eg в твердых растворах GaInxAsSb и GaAlxAsSb, изопериодных с подложкой GaSb, представлена на рис. 2 (сплошные линии) в зависимости от состава твердого раствора:

Eg = F(1 - x). Расчет производился по эмпирическим формулам и данным, взятым из работ [9Ц10]. Как следует из кривых, с ростом x в твердых растворах GaInxAsSb Рис. 1. Концентрация дырок p при 300 K (1), подвижность ширина запрещенной зоны по сравнению с Eg в GaSb при 77 K (3) и концентрация структурных дефекфтов NA2 (2) в (0.79 эВ) уменьшается, а в GaAlxAsSb Ч значительно зависимости от приведенной концентрации сурьмы XSb.

увеличивается.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 280 Т.И. Воронина, Б.Е. Джуртанов, Т.С. Лагунова, М.А. Сиповская, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев Твердый раствор GaInAsSb Известно, что твердый раствор GaInxAsSb может быть изопериодным GaSb (при x 0.25) и изопериодным InAs (x 0.7). При промежуточных значениях x лежит область несмешиваемости. Мы изучали свойства GaInAsSb во всем диапазоне существования твердого раствора, изопериодного GaSb, т. е. когда x < 0.25, а именно при x = 0.1, 0.15 и 0.22. Можно ожидать, что их электрофизические свойства не будут сильно отличаться от свойств GaSb.

С целью уточнения энергетической структуры и определения ширины запрещенной зоны Eg в твердых растворах GaInAsSb были изучены спектральные характеристики фотопроводимости. Ширина запрещенной зоны, определенная по полуспаду длинноволнового края собственной фотопроводимости для твердых растворов разного состава, приведена в табл. 1 и на рис. 2 (точки). Экспериментальные результаты довольно хорошо согласуются с расчетными и показывают при T = 77 K изменение Eg от 0.79 эВ (вGaSb) до 0.565 эВ в GaInxAsSb при x = 0.22. На рис. 2 для иллюстрации показаны также экспериментальные данные для Eg в GaInAsSb, взятые из работы [11].

Толщина исследованных эпитаксильных слоев тверРис. 2. Зависимость ширины запрещенной зоны Eg от содого раствора зависела от содержания индия в нем:

става твердого раствора при 77 (a) и 300 (b) K. Данные:

слои с x 0.1 были толстыми ( 100 мкм) и можно 1 Ч настоящая работа, 2 Ч [11], 3 Ч [9], 4 Ч [14].

было удалить подложку, а при x = 0.15 0.22 толщина слоев составляла 5 мкм и сошлифовать подложку было невозможно. Измерения поэтому проводились на числа глубоких акцепторов растет концентрация мелких образцах с подложкой n-типа проводимости (GaSb : Te), акцепторов. Анализируя их природу, можно заметить, а также на образцах с промежуточным изолирующим что фон мелких примесных уровней зависит от навесок, слоем антимонида галлия, выращенного в присутствии используемых в расплаве. Наименьшим содержанием нейтрального растворителя Ч свинца (см. выше).

как доноров, так и акцепторов NA1 характеризуются Можно ожидать, что по мере замещения атомов галлия в решетке атомами индия вероятность образо- эпитаксиальные слои, выращенные из расплава, приготовленного из бинарных компонентов Ч InAs и GaSb. По вания структурных дефектов VGaGaSb уменьшается, и всей видимости, концентрация мелких акцепторов растет концентрация глубоких акцепторов в кристаллах будет за счет неконтролируемых примесей в In, Ga, Sb.

снижаться.

Из температурных зависимостей коэффициента Холла, До сих пор мы говорили о свойствах твердых распроводимости и подвижности, а также из спектральной творов GaInAsSb, специально не легированных призависимости фотопроводимости были определены основ- месями. На практике часто возникает необходимость ные параметры материала Ч концентрация мелких (NA1) легировать их различными донорными или акцепторныи глубоких (NA2) акцепторов, концентрация доноров ми примесями. Исследовалось поведение примесей Ge, (ND), энергии активации примесей (EA1, EA2, EA3, EA4), Cd, Zn и Te, которые вводились в твердый раствор ширина запрещенной зоны Eg, которые приведены в GaIn0.1AsSb в процессе выращивания из легированной табл. 1. Основной результат состоит в том, что в жидкой фазы. Толщина слоев была 100 мкм, подложка твердом растворе обнаружены те же глубокие акцепторы удалялась. При легировании примесями Ge, Cd и Zn с энергией активации EA2 0.03 и EA3 0.07 эВ, материал сохранял p-тип проводимости. Наибольшая которые существуют в GaSb, а также мелкие акцепторы концентрация дырок достигалась при легировании герс EA1 = 0.008 0.014 эВ. Концентрация глубоких манием (p > 1019 см-3). Интересно, что при этом в акцепторов NA2, как и ожидалось, всегда падает с ростом образцах росла одновременно концентрация и доноров, величины x в твердом растворе GaInxAsSb. К сожале- и акцепторов, т. е. Ge проявлял амфотерные свойства с нию, это не приводит к сильному росту подвижности преобладающим встраиванием в решетку как акцепторносителей тока, так как и в образцах с промежуточ- ная примесь. При легировании Cd и Zn в твердом расным изолирующим слоем, и в образцах на подложке творе растет лишь концентрация акцепторов, предельная n-GaSb : Te с ростом x одновременно с уменьшением концентрация дырок 5 1017 см-3.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GaInAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb)... Таблица 1.

Состав EA, эВ {ND, NA}, 1016 см-3 Eg, эВ N Ga1-xInxAs1-ySby Исходные p, 1016 см-3 , см2/В с образца компоненты x y 300 K 77 K 300 K 77 K EA1 EA2 EA3 EA4 ND NA1 NA2 77 K 1 0 100 Ga, GaSb 17 4 550 2250 0.015 0.03 0.07 - 0.1 1 27 0.2 0.11 0.93 In, Sb, 6.2 1.5 465 1870 0.008 0.03 - - 1.7 4.4 2.5 0.GaSb, InAs 3 0.155 0.863 In, Sb, 9.4 0.59 365 1950 0.008 0.035 0.073 - 3.3 4.3 1.3 0.GaSb, InAs 4 0.22 0.81 InSb, GaSb, 3 0.6 500 2850 0.01 0.03 0.07 - 1.4 2.5 1.9 0.InAs 5 0.092 0.93 In, Sb, 6.6 1.2 370 1100 0.009 0.038 - - 3 5.7 2.5 0.GaSb, InAs 6 0.156 0.864 In, Sb, 70 3.4 118 377 0.003 0.038 - 0.1 8.5 12 3 0.GaSb, InAs 7 0.217 0.836 In, Sb, 30 17 187 304 0.0014 - - 0.1 20 40 - 0.Ga, InAs Примечание. Подложка n-GaSb : Te без промежуточного изолирующего слоя.

Таблица 2.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам